大柏舍深井地電阻率觀測布極方式分析

寧亞靈，許家姝 ，解 滔 ，張國苓，盧 軍

1.山西省地震局,太原 030021 2.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，太原 030021 3.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026 4.中國地震臺網(wǎng)中心,北京 100045 5.河北省地震局,石家莊 050021

0 引言

我國自1966年邢臺M7.2(M為震級)地震后開始了連續(xù)的定點地電阻率觀測，臺站通常布設(shè)2～3個測道，布極方式普遍采用對稱四極裝置，地表觀測電極埋設(shè)深度通常為1.5～2.0 m，觀測極距AB為500～2 400 m，地下探測深度為數(shù)百米或更深不等[1-2]。在近50年的連續(xù)監(jiān)測中，在多次大地震前記錄到了顯著的中短期地電阻率異常[3-9]，且對發(fā)生在臺網(wǎng)內(nèi)一些地震的三要素實施了1年時間尺度的中短期預(yù)測[10-11]，說明地電阻率是地震監(jiān)測預(yù)報有效的方法之一。

隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，蔬菜大棚、水管、鋼纜等金屬管線以及測區(qū)挖土蓄水、倉庫和道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)改變了測區(qū)地表的電性結(jié)構(gòu)，使地電阻率觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴(yán)重下降，給地震監(jiān)測預(yù)報數(shù)據(jù)分析帶來巨大困難[12-14]。為了有效地抑制來自測區(qū)地表淺層的干擾，我國地電工作者提出了深井觀測的方式，自20世紀(jì)80年代開始相繼進(jìn)行了一些深井實驗觀測，并逐步開展了深井地電阻率觀測的相關(guān)理論研究，目前已有多個臺站在進(jìn)行連續(xù)觀測[15-23]。已有的研究結(jié)果顯示，深井觀測能有效抑制地電阻率觀測中因地下水位變動、地表溫度變化和季節(jié)性降雨引起的年變化現(xiàn)象和地表局部電性結(jié)構(gòu)變化引起的干擾。深井觀測在抑制地表淺層干擾的同時，更需要捕捉由孕震過程應(yīng)力作用引起的測區(qū)深部介質(zhì)變化信息。在電極埋深一定時，地電阻率觀測的探測范圍很大程度上取決于觀測極距。觀測極距越小，觀測值受地表的干擾越小，但所反映的深部信息也越少；由于測區(qū)地下介質(zhì)的非均勻性，在區(qū)域應(yīng)力作用下會呈現(xiàn)非均勻性變化，極距較小時容易遺漏相關(guān)信息。因此，深井觀測仍然需要采用較大的觀測極距，以反映更大三維空間范圍的介質(zhì)變化信息。但隨著觀測極距的加大，觀測值所反映的空間范圍擴(kuò)大，地表干擾對觀測的影響也相應(yīng)地增加，深井觀測的作用也逐漸減弱。地電阻率影響系數(shù)理論可以定量地給出測區(qū)各區(qū)域介質(zhì)電阻率變化對地電阻率觀測值變化的影響程度[24]，因此，通過計算在不同觀測極距和不同電極埋深時各區(qū)域介質(zhì)對地電阻率的影響系數(shù)，可以評估深井觀測對地表干擾的抑制能力和對深部介質(zhì)電阻率變化的響應(yīng)能力[23]。

大柏舍深井地電阻率水平測道電極埋深100 m，觀測極距僅為60 m，能夠很好地抑制地表灌溉和季節(jié)性降雨等因素產(chǎn)生的干擾[25]，但能否較好地捕捉深部介質(zhì)信息還需要進(jìn)一步的分析。本文依據(jù)地電阻率影響系數(shù)理論，對大柏舍深井地電阻率觀測資料抑制地表干擾的原因和捕捉深部介質(zhì)變化信息的能力進(jìn)行分析，為今后深井地電阻率建設(shè)中電極埋深和觀測極距的選擇提供一定的參考。

1 臺站簡介

大柏舍地震臺位于河北省隆堯縣以南約5 km處，處于寧晉凸起和巨鹿凹陷交界的隆堯斷裂和新河斷裂的交叉部位(圖1)，臺站周圍斷裂較為發(fā)育，且多數(shù)近期仍處于活動階段。臺站所在區(qū)域為地震多發(fā)的邢臺老震區(qū)，是一個地震前兆監(jiān)測的敏感點。大柏舍臺地電阻率觀測系統(tǒng)于1967 年建成并投入運行，是我國最早開展地震分析預(yù)報工作的地電阻率臺站，觀測數(shù)據(jù)具有較好的映震效能[26]。地電阻率測區(qū)主要為農(nóng)業(yè)用地，地勢平坦，地形無明顯高差，地下水埋深約50 m。地表地電阻率觀測儀器目前為ZD8B型數(shù)字地電儀，采用對稱四極測量裝置(圖2a)，布設(shè)EW、NS向兩條測道，供電極距均為AB=1 500 m，測量極距均為MN=500 m，電極埋深為2.5～3.0 m。地表觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，夏季降雨增加、溫度升高，表層介質(zhì)電阻率降低時觀測值處于年變峰值，冬季則處于年變低值，呈現(xiàn)“夏高冬低”型年變形態(tài)。大柏舍臺于2010年1月1日增加深井地電阻率觀測，觀測儀器最初為深孔電極地電儀ATS-SR，2013年6月更換為ZD8B地電儀。深井觀測布設(shè)一條EW向水平測道和一條垂直向測道，各測道電極沿直線分布(圖2b)，供電極距為A1B1=A2B2=60 m，測量極距為M1N1=M2N2=20 m。水平測道所有電極埋深均為100 m，垂直測道4個電極埋深分別為40、60、80和100 m，垂直測道供電電極B2和水平測道供電電極A1共用一個電極。

圖1 大柏舍地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map of the area in Dabaishe

a. 地表觀測布極圖；b. 深井觀測布極圖。圖2 大柏舍臺地表與深井地電阻率觀測電極布設(shè)示意圖Fig.2 Sketch map of the lay about the earth’s surface and deep-well apparent resistivity in Dabasishe seismic station

2 觀測資料分析

大柏舍深井地電阻率水平測道觀測值年變化形態(tài)不明顯(圖3a)，垂直測道則具有夏低冬高型年變形態(tài)，年變幅度為0.6 Ω·m(圖3b)。大柏舍臺位于河北平原地區(qū)，該區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水量較大，地下水開采比較嚴(yán)重，地下水位埋深較大(圖3c)。對隆堯地區(qū)地下水位的調(diào)查顯示，地下水位受農(nóng)業(yè)開采及降雨的影響有較為明顯的冬高夏低的年變化特征[27]。每年6月大量開采地下水用于冬小麥生長階段的灌溉，地下水得不到及時的補(bǔ)給而出現(xiàn)水位下降，期間垂直測道地電阻率觀測值呈現(xiàn)下降變化；7月雨季開始，地下水開采量也相應(yīng)減少，同時受太行山山前側(cè)向徑流的補(bǔ)給作用，地下水位開始回升，垂直測道地電阻率則呈現(xiàn)上升變化；次年1—2月，由于停止農(nóng)業(yè)灌溉地下水開采，地下水于2月底達(dá)到年內(nèi)最高水位，期間垂直測道地電阻率出現(xiàn)上升變化。垂直測道地電阻率的年變化與水位變動有很好的對應(yīng)關(guān)系：地下水位埋深較小時，地電阻率觀測值較高；地下水位埋深較大時，地電阻率觀測值則較低；在年變形態(tài)清晰的年份中，水位出現(xiàn)快速大幅度變動時，垂直測道地電阻率也出現(xiàn)相應(yīng)的快速變化。大柏舍附近的地下水位資料表明，臺站所在區(qū)域地下水位屬于埋深較深的類型，受季節(jié)性降雨和抽水影響，近幾年地下水位埋深在50 m左右，并且逐年下降。垂直測道地電阻率A2、M2電極分別位于地下40和60 m，地下水位埋深在這兩個電極之間波動，且距離電極較近，水位的波動對垂直測道地電阻率觀測造成較大影響。

ρa(bǔ).地電阻率觀測值；Hw.地下水位深度。圖3 深井地電阻率觀測資料和地下水位資料Fig.3 Data of the deep-well apparent resistivity observation and groundwater table

3 探測靈敏度理論

如果將測區(qū)地下三維空間按任意大小劃分為N塊三維子區(qū)域，每一塊子區(qū)域內(nèi)視為均勻介質(zhì)，電阻率為ρi，i=1，2，…，N，在觀測裝置、觀測極距和布極位置確定時，地電阻率觀測值ρa(bǔ)是各子區(qū)域介質(zhì)電阻率的函數(shù)[28-29]：

(1)

通常情況下，各子區(qū)域介質(zhì)電阻率變化緩慢，在一定時間段內(nèi)電阻率相對變化量非常小，即Δρi/ρi<<1。因此，將式(1)作Taylor級數(shù)展開，略去二階項和高階項，地電阻率觀測值的相對變化可以表示為各子區(qū)域介質(zhì)電阻率相對變化的加權(quán)和形式：

(2)

式中，Bi被稱之為地電阻率影響系數(shù)：

(3)

同時，所有子區(qū)域影響系數(shù)Bi滿足如下關(guān)系[30]：

(4)

從影響系數(shù)的定義式(2)中可知，在影響系數(shù)絕對值較大的區(qū)域，介質(zhì)電阻率發(fā)生變化時將對地電阻率觀測值產(chǎn)生較大的影響，反之則影響很小。

4 布極方式分析

大柏舍地震臺地電阻率測區(qū)覆蓋層較厚，基巖埋深約700 m，地下介質(zhì)導(dǎo)電性良好，電測深曲線顯示地層可視為QH型電性結(jié)構(gòu)(圖4a)。依據(jù)電測深曲線采用水平層狀介質(zhì)模型反演的電性結(jié)構(gòu)示于圖4a：第一層介質(zhì)為黃土層，厚度約5 m，電阻率約75 Ω·m；第二層介質(zhì)為礫石和細(xì)砂互層，厚度約100 m，電阻率為25 Ω·m；第三層介質(zhì)厚度約580 m，為亞砂土和亞黏土互層，電阻率較低，為12 Ω·m；其下為電阻率較高的基巖。

依據(jù)圖4a所示的水平層狀電性結(jié)構(gòu)，計算水平測道在供電極距AB=60 m、測量極距MN=20 m時各層介質(zhì)影響系數(shù)隨深度的變化，示于圖4b。用ρa(bǔ)w表示深井地電阻率觀測值，在電極埋深100 m時ρa(bǔ)w相對變化值則可以表示為如下形式：

(5)

井下觀測的目的在于抑制地表干擾和突出由孕震引起的深部巖層介質(zhì)電阻率變化。觀測裝置埋深固定時，小極距對電極所在層位電阻率變化反映較大，隨著極距增加，對深部信息的反映能力增加。觀測極距足夠大后，各層影響系數(shù)與地表觀測時趨于相近，井下觀測的作用越來越小，失去意義。由于大柏舍深井地電阻率觀測電極埋深較深，觀測極距較小，基本能避免表層干擾并突出目標(biāo)層介質(zhì)電阻率變化。深井地電阻率水平測道主要體現(xiàn)了第二層和第三層介質(zhì)的電阻率信息；第一層的影響系數(shù)為0.000 1，地表淺層介質(zhì)對地電阻率觀測的影響可以忽略，因此水平測道地電阻率沒有觀測到明顯的年變化；第四層的影響系數(shù)也非常小，因此水平測道地電阻率對深部基巖電阻率變化的響應(yīng)能力也是微乎其微的。地表觀測影響系數(shù)隨觀測極距變化示于圖4c，在極距AB=1 500 m時表層介質(zhì)影響系數(shù)為負(fù)(由于是對數(shù)坐標(biāo)，負(fù)數(shù)不能取對數(shù)，所以用絕對值，負(fù)值部分用虛線表示)，表層介質(zhì)電阻率的升高和降低將引起地電阻率觀測值的下降和上升變化。春季降雨量開始增加、地表介質(zhì)含水率增加、電阻率降低后地表視電阻率觀測值上升；進(jìn)入秋季后降雨量減小，地表介質(zhì)電阻率上升，地表視電阻率觀測值下降，因此大柏舍臺地表觀測出現(xiàn)“夏高冬低”型反常年變形態(tài)。電極埋深固定為H=100 m時，影響系數(shù)隨觀測極距的變化示于圖4d，可以看出：觀測極距較小時，視電阻率主要反映第二層介質(zhì)電阻率變化；隨著觀測極距的增加，第二層介質(zhì)影響系數(shù)減小、第三層介質(zhì)影響系數(shù)增加，第一、四層基本為負(fù)。各層影響系數(shù)與地表觀測時逐漸趨于一致，說明對于固定的電極埋深，觀測極距超過一定范圍之后將失去深井觀測的作用。

圖4 大柏舍臺電性結(jié)構(gòu)與影響系數(shù)Fig.4 Electrical structure and influence coefficient in Dabasishe seismic station

依據(jù)圖4a所示電性結(jié)構(gòu)，計算水平測道觀測時各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距和裝置埋深的分布如圖5所示。在極距AB/2=150 m時，埋深100 m以上第一層介質(zhì)影響系數(shù)變化梯度較大，100 m以下影響系數(shù)很小但變化較為平緩(圖5a)。第二層介質(zhì)在小極距淺層觀測時影響系數(shù)較大，別的情況都很小(圖5b)。電極埋深在100 m以上，第三層介質(zhì)影響系數(shù)占主導(dǎo)地位(圖5c)。極距AB/2在300 m以上、電極埋深在150 m以上才能探測到第四層介質(zhì)的變化(圖5d)。分析圖5可知，小極距觀測主要反映裝置所在區(qū)域介質(zhì)信息，在裝置埋深較淺時，主要反映淺層介質(zhì)信息。大柏舍臺第三層介質(zhì)厚度較大且電阻率很低，地電阻率觀測值主要反映該層介質(zhì)信息，只有在觀測極距較大且裝置埋深也較大時，深井觀測才能對底層介質(zhì)信息有所反映。淺層介質(zhì)電阻率易受地下水位變動、含水飽和度季節(jié)性增減和溫度變化的影響，深井觀測應(yīng)盡可能少地反映這部分干擾信息。通常認(rèn)為，深層介質(zhì)較之淺層松散沉積層更能有效地傳遞應(yīng)力，孕震或構(gòu)造應(yīng)力主要引起深層介質(zhì)電阻率的變化，因而大柏舍臺深井觀測應(yīng)以第三層和底層介質(zhì)為主要觀測對象。從圖5中可以看出，水平測道供電極距AB/2取250～350 m、裝置埋深H>150 m能滿足需求?？紤]到地下潛水位在50 m左右變化，垂直測道的頂端電極埋深應(yīng)在地下水位以下一段距離為宜，以減少地下潛水位變動對地電阻率觀測的影響。

圖5 大柏舍臺各層介質(zhì)影響系數(shù)隨觀測極距和埋深的變化Fig.5 Changes of the influence coefficient with the each layer about the observation distance and depth in Dabaishe seismic station

5 討論與結(jié)論

1)深井觀測通過地層屏蔽效應(yīng)和增加觀測裝置與地表干擾源的距離來實現(xiàn)對地表淺層干擾的抑制，因此，只要觀測裝置埋設(shè)足夠深，總是可以有效地抑制由非構(gòu)造因素引起的地表淺層介質(zhì)電阻率變化對觀測產(chǎn)生的干擾。另一方面，深井觀測也減小了觀測裝置與下伏地層之間的距離，有利于獲取深部介質(zhì)變化信息。

2)根據(jù)目前深井觀測工程投入和對觀測系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，觀測裝置埋深能到達(dá)250 m左右；對于多數(shù)臺站而言，在這一深度采用適當(dāng)?shù)臉O距已經(jīng)可以有效地對基巖電阻率變化進(jìn)行觀測。

3)大柏舍臺現(xiàn)有的深井觀測水平測道雖能有效地抑制來自地表的干擾信息，但是由于觀測極距較小，對深部信息的反映能力不夠。垂直測道年變動態(tài)明顯，第一個電極埋深為40 m，位于水位動態(tài)變化層位，受地下水位變動影響較大，掩埋了深部地層信息。由于垂直測道頂端供電電極靠近地表，因而垂直測道不能較好地抑制來自地表的干擾，建議取消垂直測道深井觀測。為盡可能記錄到與孕震有關(guān)的信息，大柏舍臺深井地電阻率應(yīng)適當(dāng)增加觀測極距和裝置埋深，水平測道極距AB/2取250～350 m、埋深H>150 m能滿足需求；在條件允許時，可進(jìn)一步增加裝置埋深以更好地獲取深部信息?？紤]到地電阻率變化與主應(yīng)力方向有關(guān)，建議增加NS向水平測道深井觀測。

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